扫描光镊捕获金属微米颗粒的实验研究(3)
1.3 光捕获的原理
光捕获在历史上第一次应用是由Ashkin完成的，他使用连续激光对直径约为2.68微米的小球进行了捕获和操控[9-10]，在这个实验中证实了当单束激光穿过透镜后被聚焦，就可以实现对粒子的加速。而当使用了两束聚焦激光相向进行传播时，如果有尺度适当的微粒恰好处在激光束的附近，就会受到来自于两束激光的作用力，微粒就可能被稳定地捕获并能够实现对其的操纵。如前文所说，来自光的作用力一般会分为指向光强方向的梯度力和沿着光传播方向的散射力，当我们人为地去适当改变激光光束聚焦的位置等情况时，由光产生的这两个力就会发生响应的改变。在以往的技术中，光镊通过透射激光束照射到透明介质球体上，光子的动量发生改变，它的动量会传递到小球上，光从通过介质小球，在小球上会出现两次折射，从而产生出一个对小球的反作用力，该力指向激光束的焦点位置并且大小正比于光的强度的梯度，也因此被称为梯度力。这个力的产生与光场强度的分布不均匀有关，它使得小球的受到来自光的作用力，并使小球的位置始终趋于激光光束的焦点位置，从而可以使得介质小球能被光镊捕获与操纵[11-13]。光捕获也可以通俗的解释为，光镊利用激光束聚焦产生光场，处在光场的中心的一片位置可以用来对微粒进行捕获，一旦微粒进入这一位置，它就将受到来自光的作用力，被推向光束中心从而被捕获。换句话说，光镊就是用到了聚焦激光束产生的具有引力的光学势阱，从而可以像镊子一样对微粒进行捕获，光镊的名称实际上就是来源于此。因此，光镊巧妙地利用了以上原理从而可以实现对微粒进行加速、捕获、操纵、分离、计数等工作。光镊在其不断发展的过程中，逐步实现了对单一介质颗粒[14]、原子[15]、分子、细菌、病毒[16-18]、亚微米颗粒、宏观颗粒等微粒的捕获与操控，在近年来，光镊甚至可以用来捕获和操控活体细胞和组织以及生物大分子，可以进行染色体的选取与分离，被广泛运用到各种不同的领域。光镊的产生为使用光对微粒进行捕获和操作奠定了坚实的基础，此后光镊还被运用于对不同粒子的精确分类，因为其操作的准确性，光镊甚至可以用于将特性不同的微粒进行重新排列，组成科学研究需要的形状和结构。传统光镊为微米级粒子的捕获和操控提供了坚实的基础和稳定的保障，带来了一项项科学和技术上的辉煌成果与重大进步。
1.4 光捕获微米级金属粒子的原理
金属粒子的高吸收特性和高反射特性决定了普通的基于单光束梯度力的光镊对其难以进行稳定的捕获[19-20]，光镊的发展遇到了前所未有的困境。传统光镊能够捕获的一般都是透明或者半透明粒子，聚焦的激光光束可以透过这些粒子，在粒子上形成两次折射，通过光产生的梯度力对微粒进行捕获。但是金属粒子因为其本身并不透明，而光照射到金属粒子上，金属粒子本身的高吸收特性和高反射特性往往引起的更多是散射力，而不是传统光镊用到的梯度力。它引起的散射力一般从形式上表现为推力，和捕获透明粒子用到的梯度力表现出的拉力有明显的不同。这样带来的结果是，作用在金属粒子上面的散射力带来的推力要远大于梯度力带来的拉力，金属粒子受力不平衡，因此就无法用普通的光镊对其进行稳定的捕获，光镊技术的发展遭遇到了严峻的瓶颈时期和艰难的挑战。但是这项困境在不久之后就得到了解决，通过思考，如果可以巧妙地利用激光产生的散射力，尝试将金属粒子推向一个受力平衡的中心区域，从而实现对金属粒子在某一区域进行稳定的捕获[21]。经过查看相关文献，目前光镊有“扫描光镊方法”、“底部聚焦方法”和“环形光阑法”三种方法可以运用于金属粒子的捕获，这三类方法在操作上并不相同，但是原理上都是运用了上文所说到的充分利用金属微粒高反射的特点，通过光照射到金属粒子上产生的散射力这一推力将其捕获在某一特定的区域，并且也可以使金属粒子随着光镊移动，这样就能够实现对微米级金属粒子进行稳定的三文捕获[22]。尽管以上三种方法的具体操作并不相同，但是都可以用光镊实现对微米级金属粒子的捕获，本文选取了“底部聚焦方法”和“扫描光镊方法”两种方法为微米级金属粒子的捕获做一个较为全面的展示。
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